專利名稱：一種高強或超高強鋼激光—電弧復合熱源焊接方法
技術領域：
本發明提出的一種新的高強或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方法，屬于高 強或超高強鋼焊接技術領域，特別涉及到能明顯降低高強或超高強鋼焊接中冷裂紋 開裂傾向及焊前預熱溫度的激光一電弧復合熱源焊接方法。
技術背景-
眾所周知，大多數高強或超高強鋼均具有較高的淬硬傾向，常規弧焊等焊接方 法在焊接高強或超高強鋼時，焊縫金屬易產生冷裂紋，為防止焊接冷裂紋的產生， 焊前需要對待焊工件進行預熱，預熱溫度的高低主要取決于高強鋼的化學成分、強 度等級、母材厚度以及焊接結構等。 一般而言，母材的碳當量及強度等級越高、母 材厚度越大，焊前的預熱溫度就越高。盡管焊前預熱處理能改善焊接接頭的冷裂紋 敏感性，但是卻帶來一系列問題。 一方面，焊前預熱使得焊接工藝變得復雜，降低 了焊接效率；另一方面，經高溫預熱后的工件惡化了工人的操作環境；再者，對于 某些形狀復雜或尺寸較大的工件無法進行有效的預熱處理，這樣對焊接工作帶來較 大的困難。
發明內容
為了克服背景技術中高強或超高強鋼焊接中存在的困難，本發明提出一種不需
要預熱或者采用低預熱處理的高強或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方法。
該焊接方法的技術方案是 1、 一種高強或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方法，其特征在于，
1) 當激光功率超過800W后，激光束2的熔池產生"激光匙孔"，熔池金屬的流
動性增加；
2) 沿焊接方向采用激光束2在前電弧3在后的復合方式，適當加大激光與電弧 之間的距離，將光絲間距h控制在3-7mm，這樣復合熱源形成的熔池被拉長， 熔池金屬的凝固變緩；
3) 采用電弧焊槍4與水平面夾角9為45° 60° ;
在以上各因素共同作用下，復合熱源的熔池尺寸增加，熔池產生"浪涌現象"， 造成熔池金屬劇烈振蕩，結果使得熔池金屬的冷卻速度減緩、焊縫金屬組織細化，
從而降低了高強或超高強鋼焊接過程中焊縫金屬的開裂傾向。
2、 根據上述的焊接方法，復合熱源所用的激光器可以是C02激光器、Nd: YAG激 光器、碟型激光器、光纖激光器或半導體激光器。
3、 根據上述焊接方法，復合熱源中電弧可以是TIG電弧、單絲GMAW電弧，雙絲GMAW 電弧、MAG電弧以及具有波形控制的氣體保護焊電弧。
4、 根據上述的焊接方法，本焊接方法中的高強或超高強鋼可以是低合金、中合金以 及采用TMCP技術和調質處理后的高強或超高強鋼。
本發明的焊接方法與常規電弧焊方法相比具有如下優點
在保證焊接接頭綜合性能高于常規弧焊方法得到的焊接接頭的條件下，可以實 現高強或超高強的無預熱或低預熱焊接， 一般而言，對于厚度《15mm的高強或超高 強鋼可以進行無預熱焊接，對于厚度〉15mm的高強或超高強鋼可以實現低預熱焊接， 與常規弧焊相比，預熱溫度可以降低50%左右。
圖1是本發明的激光一電弧復合熱源焊接方法的示意圖，
圖1中1高強或超高強鋼工件，2激光束，3電弧，4電弧焊槍，5焊絲，6焊縫； 箭頭表示焊接方向，h為光絲距離，表示激光斑點與電弧焊絲之間的距離，e表示焊 絲4與水平面之間的夾角。
在激光-電弧復合熱源焊接過程中，當激光功率超過800W后熔池內會產生激光匙 孔，激光匙孔是一個溫度極高體熱源，匙孔內的溫度高達數千度，如此高溫的體熱 源存在于熔池中，使得熔池金屬的表面張力降低，熔池金屬的流動性增加，同時由 于匙孔內金屬蒸汽的強烈揮發，在匙孔內產生較強的金屬蒸發反作用力及飽和蒸氣 壓力，從而使得激光-電弧復合熱源焊接熔池金屬的流動要比常規弧焊熔池金屬的流 動更加劇烈。在此復合熱源工藝特點的基礎上，采用激光在前電弧在后的復合方式， 適當增加光絲間距h，使h在3-7mm范圍內，這樣復合熱源焊接的熔池將會拉長，同時 適當減小電弧焊槍4與水平面間的夾角0 ， 0為45° 60°最佳，使得電弧力在水平 方向的分力增大，由于激光-電弧復合熱源焊接熔池金屬的表面張力降低，熔池金屬 的流動性增強，因此在電弧力水平分力的作用下，熔池金屬出現劇烈振蕩，甚至出 現"浪涌"現象。此外，由于光絲間距的增大，致使熔池變長，增加了熔池金屬的 振蕩距離，使得熔池的"浪涌"現象更為劇烈。熔池的劇烈流動會不斷地對焊接熔 池凝固區域進行沖刷，在一定程度上可以打碎結晶凝固前沿的枝晶組織，防止粗大
枝晶組織的產生，從而能夠細化晶粒，改善焊縫金屬組織。這種由于熔池金屬劇烈 流動而改善焊縫結晶組織的原理與鑄造工業中半固態成型技術的原理是類似的。利 用激光-電弧復合熱源焊接的工藝冶金特點，通過增大光絲間距、減小焊槍傾角，可 以細化激光-電弧復合熱源焊縫金屬組織，將該焊接方法應用于高強或超高強鋼的焊 接中，在很大程度上可以改善焊縫金屬的冷裂紋敏感性。
此外，在激光-電弧復合熱源焊接過程中，增大光絲間距，可以增大激光-電弧 復合熱源焊接熔池的大小，使得熔池金屬的凝固時間變長，并且由于激光熱源的加 入使得在其他焊接條件相同的情況下， 一次焊接熱循環中t8/5時間增加，熔池金屬的 冷卻速度變得緩慢，這樣可以降低焊縫金屬的殘余應力。同時，1:8/5時間增加，也可 增加氫的逸出，減少焊縫金屬的擴散氫含量。
通過上述措施，利用激光-電弧復合熱源焊接可以改善到接頭的組織及殘余應力 分布，同時由于復合熱源焊縫的熔深相對較大，與常規弧焊焊縫相比，焊后作用于 復合熱源焊縫橫截面上的平均拘束應力降低，因此在其他焊接條件及拘束條件相同
的情況下，可以改善焊縫金屬的冷裂紋敏感性。在采用該方法焊接高強或超高強鋼 時，可以采用不預熱或者低預熱而達到甚至高于常規弧焊高溫預熱的焊接效果。
具體實施例方式
試驗所用的激光器為德國HAAS公司生產的HL2006D型Nd: YAG固體激光器，最 大輸出功率2. 6kW，輸出波長為1. 06 ix m的連續波激光，采用焦距為200 的聚焦透 鏡；電弧焊機為奧地利Fonius公司生產的TPS5000型數字化GMA焊接電源及送絲機； 選用哈爾濱焊接研究所自行開發研制的直徑為1.2的HS-80低合金高強鋼焊絲(強 度等級80 kg級)；試驗所用高強鋼母材分別為12 mra厚的JFE980S低合金高強鋼(抗 拉強度為980 MPa)、 25 mm厚的HG980低合金高強鋼(抗拉強度為980 MPa)和25 ■ 厚的35CrMnSiA超高強鋼(抗拉強度1700 MPa)。
試驗分為斜Y型坡口焊接裂紋試驗和對接接頭性能試驗。斜Y型坡口焊接裂紋試 驗依據GB 4675.1-84進行，該試驗通過焊后對表面裂紋率和斷面裂紋率的測定，研 究不同預熱溫度下，激光-電弧復合熱源焊接和常規MAG焊兩種焊接方法的裂紋敏感 性。對接接頭性能試驗主要研究在不預熱或者低預熱條件下，復合熱源焊接接頭的 綜合機械性能，并與常規弧焊接頭的機械性能做比較。12ram對接接頭性能試板尺寸 為300X350咖，開設60° "V"型坡口， 25 mm對接接頭性能試板尺寸為300X350 mm，開設60° "X"型坡口。試驗前對試板進行烘干、打磨、去油污處理，而后進行
焊接。焊后的斜Y型坡口焊接裂紋試驗板放置24小時后再進行機械加工取樣分析；
焊后的對接接頭性能試板直接放入熱處理爐加熱到25(TC并保溫兩小時進行消氫處 理，而后隨爐冷卻，待冷卻到室溫后再進行機械加工取樣，進行機械性能測試分析。
斜Y型坡口焊接裂紋試驗主要焊接規范參數如下
常規MAG焊焊接速度0. 5m/min，送絲速度8. 0 m/min，焊接平均電流226 A， 電弧平均電壓26.8V，干伸長為16mm,焊接過程用80%Ar+20%C02混合氣保護，氣體 流量為18L/min，弧焊焊槍與水平方向的夾角為45° 。
復合焊激光功率2000W，離焦量+2mm，光絲間距為5mm，電弧及其它參數同上。
復合焊對接接頭性能試驗主要焊接規范參數焊接速度0. 8m/min，送絲速度10. 0 m/min,焊接平均電流279A，電弧平均電壓28.4V，激光功率2000W，離焦量+2 mm， 光絲間距為5mra，干伸長為16mm，弧焊焊槍與水平方向的夾角為45° ，焊接過程用 80。/。Ar+2(^C02混合氣保護，氣體流量為18 L/min，層間溫度控制在120土10。C。
常規MAG焊對接接頭性能試驗主要焊接規范參數焊接速度0.33 m/min，送絲 速度10.0m/min，焊接平均電流270 A，電弧平均電壓30V，干伸長為16國，弧焊 焊槍與水平方向的夾角為45。，焊接過程用8(mAr+20y。CO2混合氣保護，氣體流量為 18 L/min，層間溫度控制在120±l(TC。
對于12 mm厚的JFE980S高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果顯示在無預熱 焊接條件下，復合熱源焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為0 (無裂紋)，而常 規MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為100% (完全開裂)，焊前預熱6(TC 的常規MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為O (無裂紋)。對接接頭性能試 驗結果顯示在無預熱焊接條件下，復合熱源焊接試樣的抗拉強度為942MPa， -20 t下焊縫的平均沖擊功為96.7J，而常規MAG焊接試樣的抗拉強度為799 MPa， -20 'C下焊縫的平均沖擊功僅為37 J，焊前預熱6(TC的常規MAG焊接試樣的抗拉強度為 753 Mpa， -20。C下焊縫的平均沖擊功僅為67 J。綜合分析結果表明，對于12 mm厚 的JFE980S高強鋼，采用適合于高強或超高強鋼焊接的激光-電弧復合熱源焊接新方 法可以在焊前不預熱的條件下直接進行焊接而不產生開裂，并且得到的復合熱源焊 接接頭的綜合性能要優于常規MAG焊接在必要預熱溫度(6(TC)下得到接頭的綜合 機械性能。
對于25mm厚的HG980高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果顯示焊前無預熱 得到的復合熱源焊接試樣的平均裂紋率均為80%，而焊前無預熱得到的常規MAG焊接 試驗的平均裂紋率為100%;但焊前預熱到6(TC后復合熱源焊接試樣的裂紋率已降為 0，但此溫度下常規MAG焊接試樣的表面裂紋率約為60%，斷面裂紋率約為80%，只 有當預熱溫度升高到IO(TC時，常規MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均降為 0。也就是說，對于25 mm厚的HG980高強鋼，激光-電弧復合熱源焊接的必要預熱 溫度為60。C，而常規MAG焊接的必要預熱溫度為IO(TC。對接接頭性能試驗結果顯 示在6(TC預熱溫度下，復合熱源焊接頭的綜合機械性能同樣優于IO(TC預熱溫度 下常規MAG焊接接頭的綜合機械性能。
對于25 mm厚的35CrMnSiA超高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果顯示 激光-電弧復合熱源焊接的必要預熱溫度為12(TC，而常規MAG焊的必要預熱溫度 為20(TC。對接接頭性能試驗結果顯示在120'C預熱溫度下，復合熱源焊接接頭的 綜合機械性能也同樣優于20(TC預熱溫度下常規MAG焊接接頭的綜合機械性能。
權利要求
1.一種高強或超高強鋼激光—電弧復合熱源焊接方法，其特征在于，1)當激光功率超過800W時，激光束(2)的熔池形成“激光匙孔”，熔池金屬的流動性增加；2)沿焊接方向采用激光束(2)在前電弧(3)在后的復方式，并且采用較大的光絲間距，光絲間距h為3-7mm，這樣復合熱源形成的熔池被拉長，熔池金屬的凝固變緩；3)采用電弧焊槍(4)與水平面夾角θ為45°～60°；在以上各因素共同作用下復合熱源的熔池尺寸增加，熔池產生“浪涌”現象，造成熔池金屬的劇烈振蕩。
2、 根據權利要求1所述的一種高強或是或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方 法，其特征在于，復合熱源所用的激光器可以是C02激光器、Nd: YAG激光器、碟 型激光器、光纖激光器或半導體激光器。
3、 根據權利要求1所述的一種高強或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方法， 其特征在于，復合熱源中電弧可以是TIG電弧、單絲GMAW電弧，雙絲GMAW電弧、 MAG電弧以及具有波形控制的氣體保護焊電弧。
4、 根據權利要求1所述的一種高強或超高強鋼激光一電弧復合熱源焊接方法， 其特征在于，本焊接方法中的高強或超高強鋼可以是低合金、中合金以及采用TMCP 技術和調質處理后的高強或超高強鋼。
全文摘要
本發明提出的一種新的高強或超高強鋼激光—電弧復合熱源焊接方法，屬于高強或超高強鋼焊接技術領域，本方法要解決高強或超高強鋼焊接中為防止冷裂紋的產生需采用較高溫度進行預熱的技術問題。本發明的焊接方法主要包括激光功率高于800W，沿焊接方向采用激光(2)在前電弧(3)在后的復合形式，光絲間距h控制在3-7mm，電弧焊槍(4)與水平面夾角θ為45°～60°。用此方法焊接時，復合熱源焊接熔池被拉長，熔池的振蕩加劇，使得熔池金屬的凝固速度降低、晶粒細化，從而降低了高強或超高強鋼焊接過程中的冷裂紋敏感性。本發明的焊接方法可以降低高強或超高強鋼焊接的預熱溫度，甚至可以實現高強的無預熱焊接。
文檔編號B23K28/02GK101367157SQ20081022374
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者于洪軍, 卜大川, 徐孝福, 兵 杜, 林尚揚, 彬 滕, 威 王, 王旭友, 秦國梁, 穆瑞驥, 振 雷 申請人:機械科學研究院哈爾濱焊接研究所